RU2156979C1 - Оптический акселерометр - Google Patents
Оптический акселерометр Download PDFInfo
- Publication number
- RU2156979C1 RU2156979C1 RU99111277A RU99111277A RU2156979C1 RU 2156979 C1 RU2156979 C1 RU 2156979C1 RU 99111277 A RU99111277 A RU 99111277A RU 99111277 A RU99111277 A RU 99111277A RU 2156979 C1 RU2156979 C1 RU 2156979C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- input
- output
- amplitude modulator
- ring waveguide
- Prior art date
Links
Abstract
Акселерометр предназначен для использования в измерительной технике при решении задач навигации, управления, гравиметрии. Акселерометр содержит источник излучения, два световода, фотоприемник. В акселерометр введены входной и выходной оптические амплитудные модуляторы, работающие в режиме оптического ключа, оптический усилитель, кольцевой волновод, образованный двумя световодами с разными показателями преломления, устройством управления, элемент задержки, оптический объединитель. Выход источника излучения подключен к первому оптическому входу входного оптического амплитудного модулятора и первому входу оптического объединителя. Выход входного оптического амплитудного модулятора подключен ко входу оптического усилителя. Выход оптического усилителя через соединение первого световода кольцевого волновода со вторым световодом кольцевого волновода подключен ко входу выходного оптического амплитудного модулятора, первый выход которого подключен через соединение второго световода кольцевого волновода с первым световодом кольцевого волновода ко второму входу входного оптического амплитудного модулятора. Управляющий вход выходного оптического амплитудного модулятора через элемент задержки и управляющий вход входного оптического амплитудного модулятора соединены с выходом устройства управления. Второй выход выходного оптического амплитудного модулятора подключен ко второму входу оптического объединителя. Выход оптического объединителя подключен ко входу фотоприемника, выход которого является выходом устройства. Обеспечивается измерение абсолютного ускорения с точностью, удовлетворяющей современным навигационным требованиям. 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии.
Известны лазерные акселерометры, предназначенные для автономного измерения абсолютного ускорения, основанные на использовании имеющейся зависимости между сдвигом частоты электромагнитного излучения и воздействием гравитационного поля [Лазерные измерительные системы./Под ред. Д.П. Лукьянова. -М.: Радио и связь, 1981, с. 224], вытекающей из общей теории относительности. Однако устройства, реализующие данный способ измерений, обладают очень малым масштабным коэффициентом в силу малого порядка полезного сигнала, то есть обладают низкой разрешающей способностью.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является интерферометрический акселерометр [Бусурин В. И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. М. : Энергоатомиздат, 1990, с. 71, рис. 4.5], содержащий источник излучения, два световода, фотоприемник.
Недостатком данного устройства является невозможность измерения абсолютного ускорения объекта без учета дополнительной информации о величине ускорения силы тяжести. Измерение только кажущихся параметров движения приводит к необходимости моделирования гравитационного поля с учетов аномалий, что не всегда возможно, например, при решении задач инерциальной навигации на других планетах, гравитационные поля которых пока не изучены.
Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены входной и выходной оптические амплитудные модуляторы (ОАМ), работающие в режиме оптического ключа, оптический усилитель, устройство управления (УУ), элемент задержки (ЭЗ) и оптический объединитель, два световода выполнены с разными показателями преломления и образуют кольцевой волновод, при этом выход источника излучения подключен к первому оптическому входу входного оптического амплитудного модулятора и первому входу оптического объединителя, выход входного оптического амплитудного модулятора подключен ко входу оптического усилителя, выход оптического усилителя через соединение первого световода кольцевого волновода со вторым световодом кольцевого волновода подключен ко входу выходного оптического амплитудного модулятора, первый выход которого подключен через соединение второго световода кольцевого волновода с первым световодом кольцевого волновода ко второму входу входного оптического амплитудного модулятора, управляющий вход выходного оптического амплитудного модулятора через элемент задержки и управляющий вход входного оптического амплитудного модулятора соединены с выходом устройства управления, второй выход выходного оптического амплитудного модулятора подключен ко второму входу оптического объединителя, выход оптического объединителя подключен ко входу фотоприемника, выход которого является выходом устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема оптического акселерометра.
Оптический акселерометр содержит источник когерентного излучения 1, входной и выходной ОАМ 21, 22, каждый из которых работает в режиме оптического ключа, оптический усилитель 3, два световода 41, 42 выполнены с разными показателями преломления и образуют кольцевой волновод 4, устройство управления 5, элемент задержки 6, оптический объединитель 7, фотоприемник 8.
Выход источника излучения 1 подключен к первому оптическому входу 21.1 входного ОАМ 21 и первому входу 71 оптического объединителя 7, выход ОАМ 21 подключен ко входу оптического усилителя 3, выход которого через соединение первого световода 41 кольцевого волновода 4 со вторым световодом 42 кольцевого волновода 4 подключен ко входу выходного ОАМ 22, первый выход 22.1 которого подключен через соединение второго световода 42 кольцевого волновода 4 с первым световодом 41 кольцевого волновода ко второму входу 21.2 входного ОАМ 21, управляющий вход выходного ОАМ 22 через элемент задержки 6 и управляющий вход входного ОАМ 21 соединены с выходом устройства управления 5, второй выход 22.2 выходного ОАМ 22 подключен ко второму входу 72 оптического объединителя 7, выход которого подключен ко входу фотоприемника 8.
Устройство работает следующим образом. Пусть объект и связанная с ним система координат Oxyz поступательно движутся с ускорением a вдоль оси OX (см. чертеж) абсолютной системы координат OXYZ. Оптический сигнал от источника когерентного излучения 1 поступает на входной ОАМ 21 и первый вход 71 оптического объединителя 7. По сигналу от YY 5, поступающему на управляющий вход входного ОАМ 21 и через ЭЗ 6 на управляющий вход выходного ОАМ 22, входной ОАМ 21 открывается, формируя импульсный оптический сигнал (ИОС), который поступает в кольцевой волновод 4, где проходит по кольцевому волноводному контуру r раз. Длина световодов 41, 42 одинакова и равна L. Причем
L >> L',
где L - длина участка световода 41(42), в котором распространение света происходит параллельно оси OX (см. чертеж);
L' - длина участков световода 41(42), в которых распространение света происходит перпендикулярно оси OX (см. чертеж).
L >> L',
где L - длина участка световода 41(42), в котором распространение света происходит параллельно оси OX (см. чертеж);
L' - длина участков световода 41(42), в которых распространение света происходит перпендикулярно оси OX (см. чертеж).
Известно, что скорость распространения света не зависит от скорости движения источника излучения 1 [Фрум К.Д., Эссен Л. Скорость света и радиоволн. - М: Наука, 1973.- 196 с.], то есть в системе координат OXYZ скорость распространения света константа (инвариант) и равна с. Кроме того, длина световодов 41, 42 L в системе координат Oxyz есть также инвариант к величине ускорения а. В то же время, для системы координат Oxyz относительная скорость света в световоде 41(42) при a ≠ 0 пропорциональна ускорению объекта. Таким образом, для световодов 41, 42 (см. чертеж) можно записать
(1)
где ϑ1(t),ϑ1(t) - относительные скорости света в первом и втором световодах. ИОС проходит расстояние L в световодах 41, 42 за разные временные интервалы t1 и t2 соответственно:
(2)
Решая уравнения
(3)
получаем, что время t обхода контура кольцевого волновода 4, состоящего из двух световодов 41, 42, импульсным оптическим сигналом будет равно
Таким образом, получим, что t зависит от а, однако, эта зависимость очень слабая, так как в знаменателе величина 2•a•L пренебрежимо мала по сравнению с c2.
где ϑ1(t),ϑ1(t) - относительные скорости света в первом и втором световодах. ИОС проходит расстояние L в световодах 41, 42 за разные временные интервалы t1 и t2 соответственно:
Решая уравнения
получаем, что время t обхода контура кольцевого волновода 4, состоящего из двух световодов 41, 42, импульсным оптическим сигналом будет равно
Таким образом, получим, что t зависит от а, однако, эта зависимость очень слабая, так как в знаменателе величина 2•a•L пренебрежимо мала по сравнению с c2.
При а = 0, 
это время, которое принимается за опорное при измерении (оценке) абсолютного ускорения а.
Для увеличения разности Δt = t-t0, несущей информацию о величине а, используем многократное прохождение ИОС в кольцевом волноводе 4, то есть, используем k прохождений. При этом величина Δt увеличится в k раз
(5)
Другим важным фактором, влияющим на Δt является показатель преломления среды, в которой распространяется ИОС. Результаты опыта Физо [Степанов Б.И. Введение в современную оптику. -Мн.: Наука и техника, 1989.- 359 с.] позволяют утверждать, что ИОС распространяется в первом 41 и втором 42 световодах с разными скоростями при а = 0. Пусть n1 - показатель преломления среды в первом световоде 41, a n2 - во втором световоде 42. Тогда соответствующие начальные скорости для ИОС при a ≠ 0 будут
c1=c/n1 и c2=c/n2, (6)
а система (1) примет вид
(7)
В этом случае после несложных преобразований, аналогичных (2,3,4) можно получить
Таким образом, величина
будет определятся следующим выражением
Анализируя выражение (9), нетрудно заметить, что в знаменателе выражения можно пренебречь величиной 2•a•L, стоящей под знаком радикала при малых a. В этом случае получаем упрощенное выражение для времени обхода ИОС в контуре кольцевого волновода в следующем виде
(10)
из которого видно, что
(11)
Во избежание затухания ИОС в волноводе 4 установлен оптический усилитель 3. При выполнении условия r = k, которое обеспечивает элемент задержки 6, выходной ОАМ 22 открывается и ИОС поступает на второй вход 71 оптического объединителя 7, в котором формируется интерференционный импульсный оптический сигнал, поступающий на вход фотоприемника 8, с выхода которого снимается сигнал, соответствующий абсолютному ускорению.
Другим важным фактором, влияющим на Δt является показатель преломления среды, в которой распространяется ИОС. Результаты опыта Физо [Степанов Б.И. Введение в современную оптику. -Мн.: Наука и техника, 1989.- 359 с.] позволяют утверждать, что ИОС распространяется в первом 41 и втором 42 световодах с разными скоростями при а = 0. Пусть n1 - показатель преломления среды в первом световоде 41, a n2 - во втором световоде 42. Тогда соответствующие начальные скорости для ИОС при a ≠ 0 будут
c1=c/n1 и c2=c/n2, (6)
а система (1) примет вид
В этом случае после несложных преобразований, аналогичных (2,3,4) можно получить
Таким образом, величина
Анализируя выражение (9), нетрудно заметить, что в знаменателе выражения можно пренебречь величиной 2•a•L, стоящей под знаком радикала при малых a. В этом случае получаем упрощенное выражение для времени обхода ИОС в контуре кольцевого волновода в следующем виде
из которого видно, что
Во избежание затухания ИОС в волноводе 4 установлен оптический усилитель 3. При выполнении условия r = k, которое обеспечивает элемент задержки 6, выходной ОАМ 22 открывается и ИОС поступает на второй вход 71 оптического объединителя 7, в котором формируется интерференционный импульсный оптический сигнал, поступающий на вход фотоприемника 8, с выхода которого снимается сигнал, соответствующий абсолютному ускорению.
Результаты расчетов показывают, что при справедливости сделанных допущений относительно характера распространения света в неинерциальной системе отсчета и при выборе основных параметров L = 1 м, k = 107, n1 = 1, n2 = 2 точность измерения абсолютного ускорения находится в пределах, которые удовлетворяют современным навигационным требованиям.
Claims (1)
- Оптический акселерометр, содержащий источник когерентного излучения, два световода, фотоприемник, отличающийся тем, что в него введены входной и выходной оптические амплитудные модуляторы, работающие в режиме оптического ключа, оптический усилитель, устройство управления, элемент задержки и оптический объединитель, два световода выполнены с разными показателями преломления и образуют кольцевой волновод, при этом выход источника излучения подключен к первому оптическому входу входного оптического амплитудного модулятора и первому входу оптического объединителя, выход входного оптического амплитудного модулятора подключен ко входу оптического усилителя, выход оптического усилителя через соединение первого световода кольцевого волновода со вторым световодом кольцевого волновода подключен ко входу выходного оптического амплитудного модулятора, первый выход которого подключен через соединение второго световода кольцевого волновода с первым световодом кольцевого волновода ко второму входу входного оптического амплитудного модулятора, управляющий вход выходного оптического амплитудного модулятора через элемент задержки и управляющий вход входного оптического амплитудного модулятора соединены с выходом устройства управления, второй выход выходного оптического амплитудного модулятора подключен ко второму входу оптического объединения, выход оптического объединителя подключен ко входу фотоприемника, выход которого является выходом устройства.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99111277A RU2156979C1 (ru) | 1999-05-31 | 1999-05-31 | Оптический акселерометр |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99111277A RU2156979C1 (ru) | 1999-05-31 | 1999-05-31 | Оптический акселерометр |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2156979C1 true RU2156979C1 (ru) | 2000-09-27 |
Family
ID=20220500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99111277A RU2156979C1 (ru) | 1999-05-31 | 1999-05-31 | Оптический акселерометр |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2156979C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2538929C2 (ru) * | 2013-04-16 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет" | Акселерометр поляризационно-оптический |
-
1999
- 1999-05-31 RU RU99111277A patent/RU2156979C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Бусурин В.И. и др. Волоконно-оптические датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.71. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2538929C2 (ru) * | 2013-04-16 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет" | Акселерометр поляризационно-оптический |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11815373B2 (en) | Distributed optical sensing systems and methods | |
| Dakin | Multiplexed and distributed optical fibre sensor systems | |
| CN106680535B (zh) | 基于光纤布喇格光栅反射谱特性实现激光拍频的差动型光学加速度计 | |
| Efendioglu | A review of fiber-optic modal modulated sensors: Specklegram and modal power distribution sensing | |
| CN103697954B (zh) | 一种微腔干涉流速压差敏感结构及微腔干涉光纤流速流量传感器 | |
| CN111308125B (zh) | 一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法及加加速度计 | |
| Zahid et al. | Reflectometric and interferometric fiber optic sensor’s principles and applications | |
| Pan et al. | Distributed optical-fiber vibration sensing system based on differential detection of differential coherent-OTDR | |
| CN107782696A (zh) | 利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统及方法 | |
| Harmer | Principles of optical fibre sensors and instrumentation | |
| Freal et al. | A microbend horizontal accelerometer for borehole deployment | |
| US4283144A (en) | Method of fiber interferometry zero fringe shift referencing using passive optical couplers | |
| JP2996704B2 (ja) | 多モード干渉を有する光センサ | |
| CN103234590A (zh) | 一种油田井下光纤流量传感器 | |
| RU192790U1 (ru) | Волоконно-оптический датчик перемещений | |
| RU2156979C1 (ru) | Оптический акселерометр | |
| CN107389154A (zh) | 基于ofdr的空心光纤连续液位传感装置及测量方法 | |
| CN207051308U (zh) | 一种大视场光子多普勒测速装置 | |
| CN210327579U (zh) | 一种光缆振动的定位装置 | |
| JPS63118624A (ja) | 光ファイバ測定装置および方法 | |
| CN102721828A (zh) | 具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器 | |
| RU81323U1 (ru) | Совмещенный волоконно-оптический датчик давления и температуры | |
| CN103116035A (zh) | 基于嵌入式双芯pcf的mems多普勒测速方法和装置 | |
| RU75043U1 (ru) | Волоконно-оптический измеритель скорости | |
| US6813006B1 (en) | Stand-alone speedometer directly measuring the translational speed based on the difference between dispersive dragging effects of different media |